giáo trình đo lường

giáo trình đo lường

Phần1

Lý thuyết cơ bản đo lường vô tuyến điện

Chương 1 Các khái niệm cơ bản

1.1 Khái niệm cơ bản về phép đo và phương tiện đo

Đại lượng vật lý được đánh giá bằng số ghi kèm đơn vị

Đại lượng vật lý vμ phép đo lμ những khái niệm chủ yếu trong đo lường:

- Đại lượng vật lý lμ đối tượng của phép đo

- Phép đo sử dụng để xác định giá trị của đại lượng vật lý

*Phép đo: lμ tập hợp các thao tác để xác định giá trị của các đại lượng theo

tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6165 năm 1996

- Phân loại phương tiện đo:

+ Phương tiện đo đơn giản: Mẫu đo, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lường

+ Phương tiện đo phức tạp: Dụng cụ đo (máy đo), thiết bị đo tổng hợp, hệ thống thông tin đo lường

b Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo

- Hμm biến đổi của phương tiện đo

+ Định nghĩa: Tương quan hμm số giữa đại lượng đầu ra vμ đại lượng đầu vμo:

Y= f(X) + Các dạng hμm biến đổi:

* Biểu thức toán học

* Đồ thị

* Bảng giá trị

+ Các yêu cầu với hμm biến đổi:

Đơn vị Tuyến tính hoặc phi thuyến + Hai loại hμm biến đổi của phương tiện đo (độ lệch của hai hμm biến đổi nμy đặc trưng cho độ chính xác của phương tiện đo)

Hμm biến đổi danh định Hμm biến đổi thực tế

- Độ nhạy của dụng cụ đo

+ Định nghĩa: độ nhạy của dụng cụ đo lμ tỷ số giữa biến thiên của tín hiệu ra với biến thiên của tín hiệu vμo của phương tiện đo

S = Y X

Δ

Δ hoặc chính xác hơn S =

dy dx

+ Độ nhạy cμng lớn thì phương tiện đo cμng có khả năng phát hiện được những biến đổi nhỏ của đại lượng đo

+ Phân loại:

* Độ nhạy tuyệt đối

* Độ nhạy tương đối (thường dùng) lμ tỷ số biến thiên đại lượng ra với biến thiên tương đối của đại lượng vμo:

S = Y X

Δ Δ

- Cấp chính xác của phương tiện đo

+ Định nghĩa: đặc tính tổng quát của phương tiện đo xác định giới hạn sai số cơ bản vμ sai số phụ cho phép cũng như các tính chất khác của phương tiện đo có

ảnh hưởng đến cấp chính xác

+ Cơ sở quy định vμ kí hiệu cấp chính xác của phương tiện đo lμ độ lớn của sai số cơ bản cho phép đo vμ hình thức biểu hiện sai số đo

c Phương pháp đo và phân loại phương tiện đo

- Định nghĩa: phương pháp đo lμ trình tự logic của các thao tác được mô tả một cách tổng quát để thực hiện phép đo

- Phân loại phương tiện đo:

+ Phương pháp đánh giá trực tiếp: giá trị của đại lượng đo được xác định trực tiếp theo chỉ thị của dụng cụ đo

* Đặc điểm của phương pháp đo trực tiếp lμ đơn giản, đo nhanh, độ chính xác không cao Ví dụ: đo điện áp bằng Vôn kế

+ Phương pháp so sánh: đại lượng cần đo được so sánh với đại lượng mẫu cùng loại

* Đặc điểm của phương pháp so sánh lμ phức tạp, đo mất nhiều thời gian hơn, độ chính xác cao

1.2 Một số khái niệm chung

1.2.1 Các thông số của tín hiệu vô tuyến điện

- Các thông số về cường độ: dòng điện, điện áp, công suất;

- Dạng tín hiệu: dạng tín hiệu điều hoμ, dạng tín hiệu xung;

- Các thông số về thời gian của tín hiệu: tần số, chu kỳ, góc lệch pha giữa hai tín hiệu.v.v

- Độ méo phi tuyến của tín hiệu;

- Hệ số điều chế của tín hiệu điều chế (điều biên, điều pha, điều tần, điều chế tín hiệu số);

1.2.2 Các thông số của mạch vô tuyến điện

- Thông số của các linh kiện tuyến tính vμ phi tuyến trong các mạch điện có tham số tập trung:

+ Điện trở + Điện dung + Điện cảm + Hỗ cảm + Thông số của các linh kiện điện tử, bán dẫn, vi mạch

- Thông số các linh kiện tuyến tính vμ phi tuyến trong các mạch điện có tham số phân bố:

Không có linh kiện hoặc dụng cụ điện tử nμo hoμn toμn chính xác; tất cả đều

có một sai số hoặc độ không chính xác nμo đó Điều quan trọng lμ cần hiểu rõ những sai số đó vμ chúng kết hợp với nhau như thế nμo để tạo ra sai số lớn hơn

trong các hệ thống đo Mặc dù trong một số trường hợp, các sai số có thể triệt tiêu lẫn nhau gần như hoμn toμn, song luôn phải giả định những tổ hợp sai số lớn nhất

Ngoμi sai số do thiết bị đo, thì không thể tránh khỏi một sai số nμo đó do người điều khiển hoặc người quan sát đọc kết quả gây ra Cũng như vậy, ngay khi các sai số của thiết bị lμ rất nhỏ, song hệ thống sử dụng dụng cụ vẫn có thể gây ra một sai số hệ thống Sai số có nguồn gốc không thể giải thích được được gọi lμ sai

số ngẫu nhiên Chỗ nμo cần độ chính xác cực cao thì có thể giảm đến mức tối thiểu các sai số bằng cách đo nhiều lần bằng dụng cụ đo vμ xác định trị số trung bình

Khi tiến hμnh một phép đo bất kỳ ít nhiều đều phạm phải sai số, các nguyên nhân gây sai số gồm nhiều loại xong có thể quy ra hai loại tổng quát như sau:

a Sai số do khách quan

- Do nguồn điện áp cung cấp cho máy thay đổi đột biến

- Do ảnh hưởng của sấm, chớp hoặc trên vũ trụ sinh ra tia lửa điện gây can nhiễu cho các phép đo

- Do những nguyên nhân tự biến đổi bất thường không có tính quy luật (nguyên nhân ngẫu nhiên) khi thực hiện phép đo ta không lường trước được

- Để hạn chế các sai số do nguyên nhân khách quan gây nên thì quá trình đo phải tiến hμnh đo đi đo lại nhiều lần rồi dùng lý thuyết xác suất để tìm ra khoảng trống mμ từ đó tính ra trị số của đại lượng cần đo

b Sai số do chủ quan

- Do các yếu tố thường xuyên hay các yếu tố có tính quy luật tác động đến phép đo lμm cho kết quả phép đo có sai số lớn hơn hoặc nhỏ hơn trị số thực của đại lượng cần đo

- Ví dụ: Dụng cụ đo không được quy chuẩn trước khi đo; cấp máy đo không chính xác; phương pháp đo không hợp lý; quá trình sử lý kết quả đo đã tự ý bỏ qua một số yếu tố phụ (như lấy tròn số); do khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) của môi trường, thực hiện phép đo không đúng môi trường tiêu chuẩn theo quy định của máy

Tóm lại: nói về đặc điểm nguyên nhân chủ quan lμ tạo nên sai số có tính hệ

thống (quy luật) cho nên kết quả của phép đo người ta chỉ việc cộng vμo ( hoặc trừ

đi) một lượng sai lệch nμo đó

c Cách khắc phục và hạn chế sai số

- Dùng bộ ổn áp để ổn định nguồn cung cấp cho máy đo

- Thực hiện các phép đo trong phòng có bọc kim vμ được nối đất

- Chọn máy đo có độ chính xác cao vμ quy chuẩn trước khi đo

- Chọn phương pháp đo phù hợp

1.3.2 Các khái niệm về sai số đo

a Sai số tuyệt đối

Định nghĩa: lμ trị số tuyệt đối giữa đại lượng đo được với giá trị thực của đại lượng cần đo Công thức: Δ = ưx a X

Trong đó: a lμ giá trị đo được, X lμ giá trị thực

Để xác định được Δx thì phải biết a vμ X Trong thực tế X lμ đại lượng chưa biết cho nên phải dùng biện pháp như dùng máy đo có độ chính xác cao, chọn phương pháp đo thích hợp, thực hiện nhiều lần đo Từ đó tìm ra Δxmax đem so sánh với Δx′ mμ Δx′<Δxmax thì lấy Δx′ lμ sai số tuyệt đối

Ví dụ: Nếu biết điện trở 100Ω vμ nó có sai số ±10Ω thì ±10Ω lμ sai số tuyệt đối

b Sai số tương đối

Định nghĩa: lμ tỷ số giữa sai số tuyệt đối vμ trị số thực của đại lượng cần đo Công thức: x

x X

Δ

∂ = 100%

Trong đó: Δxlμ sai số tuyệt đối, X lμ giá trị thực của đại lượng cần đo

Trong thực tế X chưa xác định được, nếu Δx<< X có thể coi X≈a thì có công thức mới lμ: x

x a

Δ

∂ = 100% Đây lμ sai số tương đối danh định

Ví dụ 1: Một điện trở 100Ω, sai số 10% thì sai số tương đối của điện trở lμ

±10% Như vậy điện trở đó có thể ghi như sau: 100Ω ±1/10 hoặc 100Ω ±10%

Ví dụ 2: Khi một điện áp được đo 100V bằng cách sử dụng dụng cụ biết

được sai số ±1% thì phép đo điện áp thường được nói chính xác tới ±1%, nghĩa lμ

có sai số khả dĩ ±1% trong 100V đo được

Một biểu thị sai số khác lμ theo phần triệu (PPM; ppm) của đại lượng toμn phần Ví dụ, hệ số nhiệt độ của một điện trở có thể được nói như 100 phần triệu trên độ bách phân, thường được viết 100 ppm/0C Giả sử có điện trở 1MΩ, một phần triệu của 1MΩ lμ 1Ω ; do đó, 100ppm của 1MΩ lμ 100Ω Do vậy điện trở 1MΩ với hệ số nhiệt độ ±100 ppm/0C sẽ tăng hoặc giảm điện trở 100Ω khi nhiệt

độ thay đổi 10C

c Sai số tương đối triết hợp

Định nghĩa: lμ một dạng của sai số tương đối vμ nó được dùng để đánh giá cấp chính xác của các loại đồng hồ chỉ thị bằng kim Công thức: x

x A

Δ

∂ = Trong đó : A lμ giới hạn cực đại của thang đo đồng hồ (máy đo)

Từ khái niệm về sai số tương đối vμ sai số tương đối triết hợp nhận thấy: + Nếu chia thang đo của đồng hồ (hoặc băng tần của các loại máy) cμng hẹp thì sai số tương đối trong từng băng cμng đồng đều

+ Khi chọn thang đo bao giờ cũng phải chọn sao cho trị số cực đại của thang bằng 2 lần trị số cực đại của đại lượng cần đo để kim đồng hồ chỉ thị ở giữa mặt độ

số

* ý nghĩa của các sai số

- Sai số tuyệt đối: để đánh giá độ chính xác của phép đo

- Sai số tương đối: dùng để so sánh độ chính xác giữa các phép đo với nhau

d Sai số quan sát

Sai số quan sát được hiểu đơn giản nhất lμ đọc sai giá trị kim chỉ chính xác trên một dụng cụ đo độ lệch Ngay kể cả khi có mặt thang bằng gương vμ kim lưỡi dao thì hai người quan sát vẫn có thể không nhất trí về vị trí chính xác của kim

Sai số quan sát nghiêm trọng hơn có thể xuất hiện khi người dùng máy đo lại

đọc vị trí của kim trên một thang đo sai đối với dụng cụ nhiều thang đo Đôi khi một máy đo đã được đọc đúng, song số đọc lại ghi sai, hoặc ghi vμo cột sai Bất kỳ

ai vμo lúc nμo đó cũng phạm những sai lầm như vậy Rõ rμng, chỉ có thể tránh được những sai số đó khi sử dụng vμ đọc cẩn thận mọi dụng cụ đo vμ để ý xem mỗi số

đọc có ý nghĩa hay không

e Độ chính xác, độ rõ và độ phân giải

Giả sử một Ampe với sai số ±1% toμn thang đo chỉ chính xác 1A của toμn thang đo Giá trị thực của dòng đo được nằm đâu đó giữa 1A – 1% vμ 1A +1%

nghĩa lμ giữa 0,99 A vμ 1,01 A Như vậy độ chính xác (accyracy) ±1% của phép

đo cho biết số đo gần với giá trị thực tới mức nμo

Độ rõ (percision) lμ khái niệm hơi khác xo với độ chính xác mặc dù độ chính xác vμ độ rõ có liên quan với nhau Khi một dụng cụ có thang đo gương vμ kim lưỡi dao thì vị trí của kim có thể được đọc rất rõ (percision) Ví dụ, trên thang đo 10V vị trí kim có thể đọc được trong khoảng một phần tư vạch chia nhỏ nhất của thang đo

ở khoảng đo 10V vạch chia nhỏ nhất của thang đo biểu thị 0,2V, do vậy trong trường hợp nμy điện áp có thể đọc được trong khoảng 0,2V/4 ( hoặc 0,05V) Giá trị (0,05V) đó được coi lμ độ rõ của phép đo; tuy nhiên nó không tính tới độ chính xác của dụng cụ

Giả sử Vôn kế có độ chính xác danh nghĩa ±2%, khi đó nếu hiệu điện thế 10V được đọc độ rõ 0,05V thì phép đo vẫn chỉ chính xác tới ±2% của 10V, tức lμ tới ±0,2V

Các dụng cụ đo đã xem xét ở trên nếu trong một khoảng thời gian nμo đó không được hiệu chỉnh thì độ chính xác của nó có thể xấu hơn ±2% danh nghĩa Mặt khác, trước khi sử dụng mμ không điều chỉnh mức “0” chính xác thì có thể sai

số còn lớn hơn, mặc dù vị trí kim của nó vẫn có thể được đọc rõ như trước Rõ rμng con số đọc rõ của đại lượng không đúng thì ít có giá trị Ta thấy rằng phép đo rõ có thể không phải bao giờ cũng lμ những phép đo chính xác, mặc dù độ rõ lμ cần thiết cho độ chính xác

Độ phân giải có liên quan đến độ rõ, vμ do vậy nó cũng liên quan đến độ chính xác Trong trường hợp thang đo 10V của dụng cụ đo có thể đọc rõ tới 0,05V thì có thể nói rằng độ phân giải của thang đo lμ 0,05V Một cách diễn đạt tương tự

lμ nói rằng có thể quan sát được mức thay đổi 0,05V của điện áp Nếu đúng như vậy thì có thể nói rằng Vôn kế nhạy với mức thay đổi 0,05 của điện áp, mặc dù độ nhạy của Vôn kế lμ khái niệm khác (độ nhạy của Vôn kế lμ đại lượng nghịch đảo của dòng điện toμn thang đo)

f Sai số hệ thống

Các sai số do hệ thống đo đang sử dụng, hoặc do độ không chính xác của

dụng cụ, được gọi lμ sai số hệ thống Ví dụ, khi dùng Vôn kế đo điện áp giữa hai

điểm trong một mạch thì tác dụng hiệu ứng phân tải của Vôn kế có thể lμm thay

đổi điện áp Đó lμ sai số hệ thống, tương tự như khi đo dòng điện trong mạch thì

điện trở của Ampe kế có thể lμm thay đổi dòng điện trong mạch đo vμ do vậy nó gây nên một sai số hệ thống

Sai số do độ chính xác danh nghĩa của dụng cụ cũng lμ sai số hệ thống, cũng giống như hiệu chỉnh không chính xác hoặc do điều chỉnh mức “0” cẩu thả trước khi đo Những sai số hệ thống phụ có thể xuất phát từ độ không chính xác của dụng

cụ khi nhiệt độ quá cao, độ ẩm quá lớn, vμ những điện, từ trường tạp tán gây nên

Rõ rμng, trong các phép đo không thể tránh khỏi một sai số hệ thống Những sai số khác có thể giảm tối thiểu bằng cách sử dụng cẩn thận dụng cụ vμ những biện pháp phòng ngừa như dùng Vôn kế có điện trở cao ở những phép đo mμ có thể xuất hiện hiệu ứng gây tải của Vôn kế ở chỗ nμo thực hiện nhiều phép đo, hoặc ở chỗ nμo cần dùng nhiều dụng cụ đo thì các sai số do độ không chính xác của dụng

cụ có xu hướng tích tụ lại Khi đó sai số toμn bộ của phép đo thường lớn hơn sai số bất kỳ dụng cụ nμo Khi ước tính sai số do nhiều nguồn thì luôn luôn phải giả định rằng các sai số kết hợp với nhau theo cách khả dĩ bất lợi nhất

g Sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên lμ kết quả của những biến cố ngẫu nhiên hoặc bất ngờ Chúng có thể lμ sai số do con người mệt mỏi gây ra, chúng có thể xuất hiện do những tình huống như điện áp nuôi tăng vọt, hoặc tần số thay đổi Khi nμo có phép

đo rất quan trọng thì hầu như có thể loại bỏ được hoμn toμn các sai số ngẫu nhiên bằng cách lấy nhiều số vμ tìm trị số trung bình

Khi xác định trị số trung bình của một số lớn lần đọc thì đôi khi ta thấy một hoặc hai số đo khác với giá trị trung bình một lượng lớn hơn nhiều so với những số

đo khác Trong trường hợp đó có thể giả thiết rằng vμi số đọc đó do nhầm chứ không phải lμ sai số ngẫu nhiên Có thể bỏ những số đọc nhầm đó đi vμ tính trung bình từ các số đo khác Ta chỉ có thể lμm như vậy khi nμo có một vμi số đọc có vẻ sai số lớn hơn nhiều so với số đo khác Khi nμo có nhiều số đo khác xa với trị số trung bình thì có lẽ lμ điều kiện thí nghiệm, hoặc điều kiện đo không thoả đáng vμ phải đo lại toμn bộ cả chuỗi những số đó

Khi tính trị số trung bình của một số lớn các số đo thì phải áp dụng các phương pháp thống kê để xác định sai số xác suất trong kết quả Tuy nhiên, ngay khi đã lμm như vậy vμ xác định được sai số xác suất rất nhỏ thì hệ thống sai số vẫn không thay đổi Sai số hệ thống (hoặc sai số khả dĩ cực đại) ở kết quả vẫn phụ thuộc vμo hệ thống đo đang sử dụng

Chương 2 Cơ sơ kỹ thuật đo lường

2.1 Giới thiệu chung

a, Yêu cầu với kỹ thuật đo lường hiện đại

- Số đại lượng đo tăng nhanh: máy đo phải có nhiều đầu vμo

- Đo được nhiều đại lượng đồng thời: cho phép nhiều tín hiệu vμo cùng một lúc

- Thông tin đo vμ cần sử lý lớn: có thể kết hợp với máy vi tính hoặc lưu trữ dữ liệu bằng thẻ nhớ

- Khả năng lưu trữ vμ truyền tải đi xa: lưu trữ kết quả các phép đo phục vụ cho việc sử lý các phép đo từ xa có liên quan

b, ưu điểm của kỹ thuật đo lường số

- Độ chính xác cao: sai số ít hơn, phạm vi đọc sau đơn vị thứ nguyên đến hμng triệu Ví dụ, khi đo điện áp chỉ thị 3,201347892V

- Độ nhạy lớn: trở kháng vμo rất lớn, có thể đạt Rv =∞

- Không có sai số do người đo: kết quả đo hiện số nên không có sai số do

đọc Ví dụ, 220,97V; 100,82Ω; v.v

- Tốc độ nhanh: sử dụng các bộ đếm có tốc độ cao

- Tự động hoá hoμn toμn quá trình đo: sử dụng công nghệ tự động hoá

- Kết quả đo dạng số phù hợp với truyền đi xa, lưu trữ vμ sử lý tiếp

2.2 Những khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo lường số

2.2.1 Hệ đếm và mã dùng trong kỹ thuật đo lường số

- Hệ đếm lμ tập hợp các kí hiệu ở dạng chữ số để biểu diễn thông tin số lượng

- Phân loại:

+ Hệ đếm không vị trí: trị số của tín hiệu không phụ thuộc vμo vị trí

+ Hệ đếm vị trí: trị số của kí hiệu phụ thuộc vμo vị trí của nó

- Mã lμ lượng thông tin được biểu diễn trong một hệ đếm theo một quy luật nhất

định

- Các mã thường dùng trong kỹ thuật đo lường số:

+ Mã 1 + Mã 2 + Mã 10 + Mã 2-10 + Mã Grey

2.2.2 Máy đo lường số và quá trình số hoá

- Khái niệm: máy đo lường số lμ máy đo tự động đưa ra các tín hiệu rời rạc thông

tin đo lường vμ giá trị của thông tin đo lường được biểu diễn dưới dạng số

- Quá trình số hoá thông tin đo lường bao gồm:

+ Rời rạc hoá: biến đổi thông tin liên tục thμnh đại lượng rời rạc

+ Mã hoá: biến đổi đại lượng rời rạc dưới dạng mã

- Quá trình rời rạc hoá

+ Lượng tử hoá theo giá trị (hình 2.1)

Đại lượng liên tục X(t) được thay thế bởi dãy các giá trị cách nhau một bước lượng tử Xn = n Δk (n = 1,2, )

Hình 2.1 Quá trình lượng tử hoá theo giá trị + Rời rạc hoá theo thời gian (hình 2.2)

Hình 2.2 Quá trình rời rạc hoá theo thời gian Đại lượng liên tục X(t) bằng một dãy các giá trị X1, X2, X3, Xn tương ứng với các thời gian nhất định cách nhau một bước gián đoạn Δti = ti – ti-1

2.2.3 Sai số của máy đo lường số

- Sai số của máy đo lường số phụ thuộc vμo các yếu tố sau:

+ Sai số của các bộ phận

+ Mối liện hệ giữa các bộ phận

- Sai số đặc trưng cho máy đo lường số lμ sai số lượng tử gây ra trong quá trình rời rạc lμm mất thông tin

- Sai số lượng tử bao gồm:

+ Sai số khi lượng tử hoá theo giá trị

+ Sai số khi lượng tử hoá một khoảng thời gian

a, Sai số khi lượng tử hoá trị (hình 2.3)

Hinh 2.3 Sai số lượng tử hoá trị

- Sai số lượng tử tương đối:

.100%

X X

σ = ± Δ

- Sai số lượng tử cực đại:

0 max

0

1 100% 100%

2.3 Sơ đồ chức năng và các khối chức năng cơ bản

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc của phương tiện đo

Các phương tiện đo số có cấu tạo rất khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Hiện nay đang tồn tại rất nhiều các loại sơ cấu tạo các phương tiện đo Để tổng quan vμ phản ánh một cách đặc trưng nhất nguyên lý lμm việc thì bất cứ một phương tiện đo nμo cũng được đưa về hai dạng sơ đồ cơ bản

a, Sơ đồ biến đổi thẳng:

Hình 2.5: Sơ đồ biến đổi thẳng Tín hiệu từ đầu vμo X không phù hợp cho quá trình biến đổi số, chuyển qua

bộ biến đổi tương tự - tương tự thμnh tín hiệu Y, sau đó chuyển qua bộ biến đổi tương tự - số thμnh tín hiệu N Qua bộ biến đổi mã chuyển từ mã nhị phân thμnh mã thập phân

ưu điểm: tốc độ nhanh, giá thμnh rẻ, ứng dụng rộng rãi

b, Sơ đồ biến đổi cân bằng:

Tín hiệu đầu vμo được so sánh với tín hiệu chuẩn thông qua bộ so sánh, khi

đại lượng so sánh Δx= 0 thì kết quả hiển thị X= X’ của nguồn chuẩn

Hình 2.6: Sơ đồ biến đổi cân bằng

2.3.2 Bộ biến đổi tương tự - tương tự

Hình 2.7: Sơ đồ biến đổi tương tự – tương tự

X lμ đại lượng tương tự đầu vμo;

Y lμ đại lượng tương tự đầu ra;

- Biến đổi các đại lượng tương tự X (khó sử lý trực tiếp) về các đại lượng tương tự Y thuận tiện cho quá trình sử lý số tiếp theo

- Đo lường số sử dụng rất nhiều bộ biến đổi loại nμy

* Ví dụ: bộ biến đổi điện áp - tần số (hình 2.8)

Hình 2.8: Bộ biến đổi điện áp - tần số

Bộ biến đổi điện áp – tần số biến đổi điện áp một chiều thμnh dãy xung ở

đầu ra tỷ lệ với điện áp đó

Hình 2.9: Biểu đồ xung của bộ biến đổi U-f

Từ hai lần tích phân của một chu kỳ ta có:

RU T

=

2.3.3 Bộ biến đổi tương tự – số

- Biến đổi các đại lượng tương tự thμnh đại lượng số ở đầu ra

- Lμ bộ biến đổi cơ bản nhất trong kỹ thuật đo lường số

- Đầu vμo lμ một đại lượng tương tự, đầu ra lμ đại lượng số

- Tồn tại rất đa dạng các loại biến đổi tương tự – số trên thực tế

a, Bộ biến đổi thời gian - m∙ (hình 2.10)

0 0

Hình 2.10: Bộ biến đổi thời gian – mã

- Khối tạo xung TXC liên tục phát ra một dãy xung có tần số chuẩn f0

- Khoá K chỉ hoạt động khi có xung từ Trigơ ở mức cao, xung chuẩn từ TXC qua khoá K sang bộ đếm xung BĐX

- Trigơ khi có xung kích thì thay đổi trạng thái

- Bộ đếm xung BĐX: đếm xung ở đầu vμo xuất ra tổ hợp mã NX tỷ lệ với số xung

- Hoạt động: khoảng thời gian cần mã hoá được xác định bởi hai xung, xung điều khiển vμ xung tắt Giả sử ban đầu Trigơ ở mức thấp, khi có xung điều khiển Trigơ thay đổi lên mức cao dẫn đến khoá K mở Xung chuẩn từ TXC mở thông tới bộ BĐX Mã NX ở đầu ra thay đổi theo số lượng xung Khi xuất hiện xung tắt, Trigơ thay đổi xuống mức logic thấp, khoá K đóng(hình 2.11)

Hình 2.11: Biểu đồ xung của bộ biến đổi thời gian- mã

b, Bộ biến đổi điện áp – m∙ (hình 2.12)

Hình 2.12: Bộ biến đổi điện áp – mã

- TXRC: bộ tạo điện áp xung răng cưa;

- So sánh: khối so sánh thực hiện so sánh hai tín hiệu lμ điện áp xung răng cưa vμ điện áp vμo UX;

- Các phần tử: TXC, K, BĐB vμ Trigơ có tác dụng giống như bộ biến đổi thời gian - mã đã trình bμy phần trước

- Hoạt động: Khi chưa có xung điều khiển, chỉ có bộ tạo xung TXC phát ra xung

có tần số f0, khi xuất hiện xung điều khiển cùng với xung răng cưa, Trigơ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao lμm cho khoá K mở, bộ biến đổi xung BĐX bắt

đầu đếm xung từ bộ tạo xung chuẩn tới Bộ so sánh thực hiện so sánh điện áp vμo

UX với xung răng cưa vμ phát ra xung tắt XT Xung tắt tác động ngược trở lại khối tạo xung răng cưa TXRC lμm ngưng quá trình tạo xung, xung tắt cũng tác động lên

Trigơ lμm khoá K đóng Đầu ra NX tỷ lệ với UX (hình 2.13)

Hình 2.13: Biểu đồ xung của bộ biến đổi điện áp – mã

Điện áp răng cưa được tính theo công thức sau: Urc= α t;

N T f

=

Đặt

0 0

0

1

- Bộ biến đổi đại lượng số thμnh đại lượng tương tự ở đầu ra

- Lμ bộ biến đổi cơ bản nhất, cần thiết trong các sơ đồ biến đổi cân bằng;

- Đầu vμo lμ đại lượng số, đầu ra lμ đại lượng tương tự;

Sau đây lμ một số ví dụ:

a, Bộ biến đổi m∙ - thời gian (hình 2.14)

Khi xuất hiện xung điều khiển mã NX được lưu vμo bộ đếm xung thuận nghịch, các xung điều khiển tác động lên Trigơ, Trigơ thay đổi trạng thái mở khoá

K lúc nμy xung chuẩn mở thông đến bộ biến đổi xung BĐX Mã Nx trong bộ đếm xung giảm dần theo số lượng xung từ bộ tạo xung chuẩn NX Khi mã trong bộ biến

đổi giảm đến “0” xuất hiện xung tắt tác động lên Trigơ, Trigơ thay đổi trạng thái

đóng khoá k, đầu ra của nó xuất hiện chu kỹ xung TX = NX T0 Sơ đồ khối bộ biến

đổi thời gian – mã trong hình 2.14

1

2

m i i m i

Trong đó : m lμ chiều dμi của mã NX;

ai = 0 hay ai = 1 tuỳ thuộc vμo trạng thái khoá

Điện áp ra Ura tỷ lệ với mã Nx cần biến đổi

Hình 2.15: Sơ đồ bộ biến đổi mã - điện áp

2.3.5 Bộ biến đổi mã - mã

Khi xuất hiện xung điều khiển tác động lên Trigơ, Trigơ thay đổi trạng thái lμm khoá K mở Tín hiệu xung từ bộ tạo xung chuẩn TXC tác động lên bộ đếm, giá trị mã 2 của bộ đếm nghịch, giá trị mã 10 của bộ đếm thuận tăng Khi bộ đếm nghịch có giá trị bằng 0 phát ra xung tắt XT tác động lên Trigơ, Trigơ thay đổi trạng thái, khoá K đóng kết thúc quá trình biến đổi Sơ đồ khối bộ biến đổi mã - mã đ−ợc trình bμy trong hình 2.16

H×nh 2.18: HiÓn thÞ b»ng LED 7 thanh

Chương 3 Máy phát đo lường 3.1 Khái niệm chung

- Trong kỹ thuật vô tuyến điện các nguồn tín hiệu đo lường được sử dụng rộng rãi trong các phép đo Nguồn tín hiệu nói chung phải đạt các yêu cầu sau: điện

áp, công suất, tần số, dạng tín hiệu ra phải thay đổi được

- Nguồn tín hiệu đo lường, ngoμi các yêu cầu chung ra cần phải có độ ổn định

* Phân loại theo dải tần: Căn cứ vμo dải tần, các nguồn tín hiệu đo lường

được phân loại thμnh máy tạo tín hiệu âm tần, máy tạo tín hiệu cao tần, siêu cao tần

+ Máy phát tín hiệu âm tần có tần số từ 20Hz ữ 20KHz, có máy phát tín hiệu

có tần số lên tới 200KHz còn gọi lμ máy phát siêu âm

+ Máy phát tín hiệu cao tần có tần số từ 30KHz ữ 30MHz

+ Máy phát tín hiệu siêu cao có tần số lớn hơn 30MHz

* Phân loại theo dạng tín hiệu: Căn cứ vμo dạng tín hiệu ra, người ta phân ra

các nguồn tín hiệu đo lường thμnh các loại máy sau:

+ Máy phát tín hiệu điều tần

+ Máy phát tín hiệu điều biên

+ Máy phát tín hiệu xung

+ Máy phát tín hiệu nhiễu

3.2 Máy tạo tín hiệu âm tần

Định nghĩa: Nguồn tín hiệu đo lường tạo ra dao động hình sin trong dải tần từ 20Hz ữ 20 KHz

3.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản và ứng dụng

* Méo dạng tín hiệu (méo không đường thẳng): thông thường vμo khoảng 0,1% ữ10% tuỳ theo ứng dụng

* Độ không đồng đều của điện áp ra trong dải cả băng tần số: yêu cầu chung khoảng 3 dB, nghĩa lμ mức điện áp ra lớn nhất trong băng tần không lớn hơn 2

lần (tức ≤ 1,42) mức điện áp nhỏ nhất trong cả băng tần đó

* Công suất ra: yêu cầu thay đổi được, có độ chính xác cao, thông thường công suất ra từ (0,1 ữ 10)W

b, ứng dụng:

- Lμm điện áp mẫu cho các phương pháp đo so sánh;

- Lμm nguồn cho các cầu đo;

- Hiệu chỉnh, lấy đặc tuyến vμ độ méo không đường thẳng của các bộ phận khuếch đại tần số thấp vμ các thiết bị VTĐ khác;

- Nghiên cứu các bộ lọc thông thấp;

- Đo thử các loại loa vμ tai nghe

- Máy tạo tín hiệu âm tần kiểu LC;

- Máy tạo tín hiệu kiểu phách;

- Máy tạo tín hiệu âm tần kiểu RC

3.2.3 Máy tạo tín hiệu âm tần kiểu LC

a, Sơ đồ khối (hình 3.2)

Hình 3.2: Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu âm tần kiểu LC Các bộ phận trong sơ đồ về cơ bản giống như trong sơ đồ khối tổng quát tạo tín hiệu âm tần, riêng tầng đệm dùng để phối hợp trở kháng giữa bộ tạo dao động

vμ bộ khuếch đại công suất, tránh ảnh hưởng lμm thay đổi tần số cộng hưởng LC trong bộ tạo dao động Tần số bộ tạo dao động tạo ra lμ:

1 2

- Khó tạo ra tần số thấp (vì kích thước L vμ C rất lớn)

3.2.4 Máy tạo tín hiệu âm tần kiểu phách

Định nghĩa: Hiện tượng phách sảy ra khi hai tần số dao động khác nhau về tần số

nhưng không bằng bội số lần của nhau dẫn đến biên độ dao động tổng hợp thay đổi theo tần số bằng hiệu của hai tần số thμnh phần

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu kiểu phách Các bộ dao động ở đây thường lμ bộ dao động LC lμm việc ở tần số cao Một bộ tạo dao động có tần số cố định, một bộ tạo dao động có tần số thay đổi trong phạm vi hẹp

Đầu ra của hai bộ dao động được đưa tới bộ trộn tần gây nên hiện tượng phách

Bộ lọc tần thấp lọc lấy riêng thμnh phần tần số phách ở đầu ra đưa tới mạch khuếch đại công suất

Trong mạch dao động có tần số thay đổi chỉ cần tụ xoay điều chỉnh lμ có

được một dải tần số rộng

b, Đặc điểm

*ưu điểm:

- Dải tần rộng, dễ thay đổi vμ dễ tinh chỉnh

- Kích thước nhỏ hơn máy tạo tín hiệu âm tần kiểu LC

* Nhược điểm:

- Chịu ảnh hưởng của hiện tượng ký sinh phải bọc kim các phần lμm việc ở cao tần tăng kích thước, lμm cho kích thước vẫn còn lớn

- Mạch dao động phức tạp chỉ dùng để chế tạo máy chuyên dụng

3.2.5 Máy tạo tín hiệu âm tần loại RC

Mạch tạo dao động RC sử dụng rộng rãi trong các máy tạo sóng âm tần vì

nó đơn giản vμ kết cấu gọn nhẹ Mạch tạo dao động RC có khả năng tạo ra một dải tần số khá hẹp, độ ổn định tần số cao, dạng sóng ra ít méo Mạch tạo dao động RC

có thể tạo ra dải tần số từ âm tần đến hμng MHz Nhưng ở tần số cao thì ảnh hưởng

do điện dung ký sinh của mạch dao động trở nên đáng kể so với điện dụng của mạch xoay pha, do đó tần số không còn ổn định nữa Chính vì vậy mạch dao động

RC chỉ dùng trong các máy tạo tín hiệu âm tần

a, Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu âm tần kiểu RC (hình 3.4)

b, Đặc điểm của máy tạo tín hiệu âm tần kiểu RC

* ưu điểm:

- Đơn giản, gọn nhẹ

- Có khả năng tạo ra một dải tần số quá hẹp

- Lμ loại máy tạo tín hiệu âm tần thông dụng nhất hiện nay

* Nh−ợc điểm: khó thiết lập tần số ở phần giới hạn tận cùng của các dải tần

- Mạch xoay pha thực hiện trên cơ sở các mạch xoay pha 1800 dùng các phần tử R vμ C:

+ Mạch có 3 nhóm R-C ( mỗi nhóm xoay pha 600)

+ Mạch có 4 nhóm R-C ( mỗi nhóm xoay pha 450)

- Tần số dao động phụ thuộc vμo: số nhóm R-C; trị số R,C vμ cấu tạo của

+ Thay đổi băng tần bằng cách thay đổi giá trị điện trở R

Hình 3.5: Cấu tạo bộ tạo dao động kiểu RC

d, Mạch dao động cầu Viên (Hình 3.6)

Để khắc phục nhược điểm dải tần hẹp của mạch dao động RC sử dụng các nhóm điện trở, điện dung lμm mạch xoay pha, người ta chế tạo các mạch cầu Viên ( Wiener Bridge)

Mạch dao động kiểu cầu Viên thực chất cũng lμ mạch dao động RC, nhưng dùng hai tầng ghép RC để tạo ra điện áp phản hồi dương từ đầu ra đến đầu vμo

Hình 3.6: Mạch dao động cầu Viên

Đặc tuyến tần số của mạch nμy cũng giống như một mạch cộng hưởng thông thường (hình 3.7)

Hình 3.7: Mạch cộng hưởng dao đông cầu Viên Tần số dao động được xác định bằng công thức:

3.3 Máy tạo tín hiệu cao tần

*Định nghĩa: Nguồn tín hiệu đo lường tạo ta dao động hình sin trong dải tần từ 30KHz ữ 30MHz

*ứng dụng:

- Đo độ nhạy máy thu

- Nghiên cứu các bộ khuếch đại cao tần, trung tần

- Hiệu chỉnh máy phát cao tần

- Lμm nguồn dao động cao tần trong các phép đo theo phương pháp cộng hưởng (ví dụ: đo tần số, đo tham số của mạch)

*Dải tần số công tác: thường được chia ra các băng tần sau

- Máy tạo tín hiệu cao tần thông thường: 10-3 ữ 10-4

- Máy tạo tín hiệu cao tần cao cấp: <10-5

- Có độ ổn định tần số tức thời (trong 15 phút) vμ độ ổn định tần số lâu (trong 3 giờ)

- Độ ổn định tần số phụ thuộc vμo môi trường, nhiệt độ của máy trong quá trình công tác

Ví dụ: Tại tần số 5MHz, trong khoảng thời gian nhất định, tần số thay đổi 1KHz Như vậy độ dịch tần tại tần số 5MHz lμ: 1/5000 = 2.10-4

* Độ chính xác xác lập tần số: Do cấp chính xác quy định

* Dạng điều chế:

- Điều biên hoặc điều tần

- Thông thường tần số âm tần điều chế cố định lμ: 100Hz, 400Hz, 1000Hz, 4000Hz

- Chỉ số điều chế thường nhỏ hơn 60% (để đảm bảo không gây méo)

* Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu cao tần (hình3.8)

3.4 Máy tạo tín hiệu xung

* Định nghĩa: Nguồn tín hiệu đo lường tạo ra các xung chuẩn: dạng xung vuông, dạng xung nhọn, dạng xung răng cưa vμ dạng xung đặc biệt khác

* ứng dụng:

- Hiệu chỉnh các thiết bị VTĐ như vô tuyến truyền hình, Rađa

- Điều chỉnh các bộ khuếch đại xung

- Lấy đặc tính của các bộ khuếch đại xung

CMDao động ngoμi

Đầu ra

Hình 3.8: Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu cao tần

* Độ rộng xung ra : thông thường từ 5 10-11 đến vμi giây

* Dạng xung: xung vuông, xung nhọn, xung răng cưa, xung dạng phức tạp Trong các dạng xung cần quan tâm đến các tham số như đỉnh xung, sườn xung

* Tần số lập lại của xung: thông thường từ vμi phần mười Hz đến vμi trăn MHz

* Độ giữ chậm của xung ra so với xung kích ngoài : thông thường từ 10-9 ữ vμi giây

* Biên độ xung ra: thông thường từ vμi mV ữ vμi vôn

3.5 Máy tạo tín hiệu nhiễu

* Định nghĩa: Nguồn tín hiệu đo lường tạo ra các tín hiệu nhiễu hay tạp âm còn được gọi lμ máy phát tạp âm

* ứng dụng:

- Đo độ nhạy giới hạn của máy thu

- Đo hệ số tạp âm của các thiết bị điện (tỷ số N/S)

- Nghiên cứu tính chống nhiễu của các thiết bị vô tuyến

* Yêu cầu kỹ thuật:

- Công suất ra xác định được vμ ổn định

- Mức nhiễu hiệu chỉnh được trong một dải rộng

- Phổ của nhiễu thay đổi theo quy luật nhất định

* Sơ đồ khối của máy tạo tín hiệu nhiễu ( hình 3.9)

Nguồn tạp âm Khuếch đại

công suất

Đầu ra

Hình 3.9: Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu nhiễu Nguồn tạp âm có hai loại: Tạp âm thụ động (tạp âm nhiệt) vμ tạp âm tích cực

Chương 4 Máy hiện sóng 4.1 Khái niệm chung

4.1.1 Khái niệm và phân loại

a, Định nghĩa: Máy hiện sóng lμ thiết bị đo lường vạn năng dùng để quan sát dạng tín hiệu vμ đo các thông số của tín hiệu

- Lμm chỉ thị cân bằng cho các cầu đo

- Máy hiện sóng được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện vμ các ngμnh khoa học kỹ thuật khác

c, Phân loại máy hiện sóng

- Theo nguyên lý hoạt động:

+ Máy hiện sóng điện cơ

+ Máy hiện sóng điện tử

- Phân loại máy hiện sóng điện tử: Máy hiện sóng 1 tia; máy hiện sóng 2 tia; máy hiện sóng nhiều tia

- Theo khả năng lưu ảnh: Máy hiện sóng lưu ảnh (tLA<0,1s); máy hiện sóng không lưu ảnh (tLA >= 0,1s)

- Theo chức năng: Máy hiện sóng thông dụng; máy hiện sóng chuyên dụng

- Theo trường điều khiển tia điện tử: Máy hiện sóng điều khiển bằng điện trường; máy hiện sóng điều khiển bằng từ trường

- Theo nguyên lý: Máy hiện sóng tương tự; máy hiện sóng số

Trong máy hiện sóng số có loại máy hiện sóng số không có nhớ; máy hiện sóng số có nhớ

4.1.2 ống tia điện tử trong máy hiện sóng

a, Khái niệm: ống tia điện tử trong máy hiện sóng dùng loại Cathod- Ray- Tube (CRT) Lμ phương tiện để vẽ dạng tín hiệu trong máy hiện sóng, với cách gọi như sau:

- “Bút” lμ tia điện tử

- “Giấy” lμ mμn huỳnh quang

ống tia điện tử lμ ống thuỷ tinh chân không có các điện cực sắp xếp theo một quy tắc nhất định

b, Cấu tạo của ống tia điện tử (hình 4.1)

A 3

Y X

X Y

- Chức năng hiển thị hình ảnh khi có tia điện tử bắn tới

- Mμn ảnh bao gồm mμn huỳnh quang M (chất liệu phụ thuộc vμo mμu sắc

vμ độ lưu ảnh)

* Hoạt động của ống tia điện tử:

- Chùm tia điện tử đi qua các điện trường giữa lưới L-A1 vμ A1- A2 được hội

tụ thμnh một tia mảnh bắn vμo mμn hình gây phát sáng tại điểm tiếp xúc với chất huỳnh quang trên mμn hình

- Thay đổi độ hội tụ bằng cách thay đổi điện áp trên A1

- Thay đổi độ sáng bằng cách thay đổi điện áp trên lưới điều khiển L

- Các cặp phiến lệch đứng (PĐ) vμ phiến lệch ngang (PN) lái tia theo trục tương ứng Các cặp phiến nμy không có điểm chung để điều khiển độc lập vμ được cấp điện đối xứng

- Anốt A3 được cấp đại cao áp (10kV tới 20kV) có khả năng khắc phục hiện tượng điện tử phát xạ thứ cấp từ mμn huỳnh quang

Độ nhạy chung của máy hiện sóng phụ thuộc vμo độ nhạy của ống tia điện

tử vμ hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại trong máy

Dịch chuyển của các tia điện tử theo trục tương ứng với điện áp UX vμ UY

đưa tới đầu vμo

4.2 Khái niệm quét và chế độ quét trong máy hiện sóng

4.2.1 Nguyên lý tạo ảnh trên máy hiện sóng

- Độ dịch chuyển của tia điện tử theo hai trục X vμ Y:

- Nếu UY vμ UX có dạng bất kỳ thì ảnh cũng có dạng bất kỳ Giả sử điện áp

đưa vμo trục Y có dạng sin Uy = Umsin(ωt); điện áp đưa vμo trục X có dạng răng cưa Ux = kt thì:

Lợi dụng sự di chuyểncủa điện tử trong điện trường mμ người ta đưa hai

điện áp khác nhau vμo hai cặp phiến X vμ Y của đèn tia điện cực để khống chế tia

điện tử quét lên mμn sáng tạo thμnh các hình ảnh như sau:

- Nếu đưa điện áp hình sin vμo cặp phiến Y ( thường lμ điện áp cần nghiên cứu) vμ đưa điện áp răng cưa vμo cặp phiến X (điện áp quét) thì trên mμn hình xuất hiện một hình sin (hình 4.2)

- Nếu cùng đưa vμo kênh X vμ Y hai điện áp hình sin có cùng biên độ , tần

số vμ đồng pha thì trên mμn sáng xẽ xuất hiện một đường chéo

- Nếu đưa vμo hai cặp phiến lệch X vμ Y cùng biên độ vμ tần số, nhưnglệch pha nhau 900 thì trên mμn sáng xẽ xuất hiện hình ảnh lμ một vòng tròn khép kín, có thể lμ hình elíp

2 3

Do vậy UX cần phải có dạng răng cưa vμ UX được gọi lμ điện áp quét Để dập tắt đường quét ngược phải cần đưa xung âm tới lưới điều khiển trong thời gian quét ngược

4.2.2 Các chế độ quét

* Quét thẳng: điện áp quét có dạng tuyến tính

- Quét liên tục: điện áp quét răng cưa liên tục, ứng dụng trong nghiên cứu tín hiệu

- Quét đợi: điện áp quét răng cưa rời rạc không liên tục, ứng dụng nghiên cứu dãy xung tuần hoμn có “ độ hổng lớn” hoặc dãy xung không tuần hoμn Chế độ quét đợi khi nμo có tín hiệu xung vμo thì xuất hiện tia quét

* Khuếch đại: điện áp quét có dạng Ux = ∞t (∞ lμ hình ảnh Lissajous)

- Quét sin (còn gọi lμ chế độ X-Y): điện áp quét có dạng hình sin:

+ Quét e-lip: hình ảnh nhận được lμ hình e-líp

+ Quét tròn: hình ảnh nhận được lμ hình tròn

+ Quét xoắn ốc: hình ảnh nhận được hình xoắn ốc

ứng dụng: đo tần số, đo góc lệch pha, vẽ đặc tuyến tần số

4.3 Khái niệm đồng bộ và chế độ đồng bộ

4.3.1 Khái niệm đồng bộ trong máy hiện sóng

ảnh tín hiệu trên mμn hình máy hiện sóng lμ kết quả sự xếp chồng của nhiều ảnh tương ứng với mỗi chu kỳ khác nhau của điện áp quét

Khi chu kỳ của tín hiệu nghiên cứu bằng chu kỳ của điện áp quét thì hình

ảnh đứng yên vμ phản ánh đúng dạng tín hiệu cần nghiên cứu, hình ảnh như vậy

được gọi lμ hình ảnh được đồng bộ

4.3.2 Các chế độ đồng bộ trong máy hiện sóng

Thông thường có 2 cách đặt đồng bộ, nhưng trong thực tế kết hợp cả 2 cách nμy

- Cách thứ nhất: điều chỉnh điện áp quét bằng tay theo dạng ảnh nhận

được

- Cách thứ hai: điều chỉnh điện áp tự động sao cho luôn thoả mãn đồng bộ

- Nguồn tín hiệu đồng bộ được trích từ tín hiệu cần nghiên cứu ngay trong máy gọi lμ đồng bộ trong

- Nguồn tín hiệu đồng bộ lấy từ bên ngoμi gọi lμ đồng bộ ngoμi

- Nguồn tín hiệu lấy trực tiếp từ điện lưới 50Hz hoặc 400Hz gọi lμ đồng bộ lưới

- Trong chế độ đợi, điều kiện đồng bộ luôn được thoả mãn

- Trong chế độ khuếch đại, đồng bộ đạt được khi Lisadu (Lisajous) lμ ổn

định

4.4 Sơ đồ khối và chế độ làm việc của máy hiện sóng

4.4.1 Sơ đồ khối của máy hiện sóng (hình 4.3)

Các thμnh phần chủ yếu trong sơ đồ cấu trúc của một máy hiện sóng điển hình bao gồm:

- ống tia điện tử

- Tuyến lệch đứng: phân áp (PA), giữ chậm (GC), khuếch đại lệch đứng (KĐLĐ)

- Tuyến lệch ngang: khuếch đại đồng bộ (KĐĐB), tạo quét liên tục

(TQLT), vμ tạo quét đợi (TQĐ); khuếch đại lệch ngang (KĐLN)

- Các chuyển mạch đồng bộ, (CM1), chuyển mạch quét (CM2)

* Tuyến lệch đứng

+ Phân áp: mở rộng phạm vi quan sát các tín hiệu lớn; yêu cầu hệ số phân

áp phải thay đổi trong phạm vi rộng; thường lμ phân áp điện trở, điện dung

+ Giữ chậm: giữ chậm tín hiệu một khoảng thời gian bằng thời gian quá

độ của bộ tạo quét để cân đối thời gian xuất hiện của tín hiệu trên cặp phiến lệch

đứng với điện áp quét trên phiến lệch ngang

+ Khuếch đại lệch đứng: khuếch đại tín hiệu đủ lớn cấp đối xứng cho cặp phiến đứng; cùng với ống tia điện tử quyết định độ nhạy của máy hiện sóng; quyết

định dải tần lμm việc vμ trở kháng vμo của máy hiện sóng

TQLT

TQĐ

S

L K

1 2

1 2 3

+ Khuếch đại tín hiệu đồng bộ để cấp cho bộ tạo quét lμm việc

+ Khuếch đại sơ bộ điện áp đưa tới đầu vμo X khi máy hiện sóng lμm việc ở chế độ khuếch đại

- Khuếch đại lệch ngang: khuếch đại điện áp quét hoặc điện áp đưa tới đầu vμo X đến mức đủ lớn để cấp đối xứng cho cặp phiến lệch ngang

4.4.2 Các chế độ làm việc của máy hiện sóng

Các chế độ lμm việc của máy hiện sóng hình thμnh trên cơ sở: các chế độ quét vμ các chế độ đồng bộ

Xét về nguyên tắc, máy hiện sóng có thể có 9 chế độ lμm việc vμ 3 chế độ quét, 3 chế độ đồng bộ

Thực tế chỉ có thể sử dụng 5 chế độ lμm việc Mỗi chế độ lμm việc của máy hiện sóng có nguyên lý vμ thể hiện chức năng nhất định

Chế độ quét Chế độ đồng bộ

Quét liên tục Đồng bộ trong Quét đợi Đồng bộ ngoμi Khuếch đại Đồng bộ lưới

Các chế độ lμm việc của máy hiện sóng:

* Chế độ quét liên tục - đồng bộ trong

- Thiết lập các chuyển mạch CMĐB vμ chuyển mạch CMCĐ

- Chức năng dùng để nghiên cứu tín hiệu điều hoμ (quan sát vμ đo các thông số của tín hiệu)

- Lμ chế độ thông dụng nhất

* Chế độ quét liên tục - đồng bộ ngoài

- Thiết lập các chuyển mạch CMĐB vμ chuyển mạch CMCĐ

- Chức năng dùng để nghiên cứu tín hiệu điều hoμ, nghiên cứu sự lan truyền của tín hiệu trong mạch điện, đo góc lệch pha ( với máy hiện sóng 1 tia)

* Chế độ quét liên tục - đồng bộ lưới

- Thiết lập các chuyển mạch CMĐB vμ chuyển mạch CMCĐ

- Chức năng dùng để nghiên cứu các bộ chỉnh lưu, ổn áp

* Chế độ đợi - đồng bộ trong

- Thiết lập các chuyển mạch CMĐB vμ chuyển mạch CMCĐ

- Chức năng dùng để nghiên cứu tín hiệu không tuần hoμn hoặc dãy xung

có độ hổng lớn (quan sát vμ đo các thông số của tín hiệu)

* Chế độ khuếch đại - đồng bộ ngoài

- Thiết lập các chuyển mạch CMĐB vμ chuyển mạch CMCĐ

- Chức năng dùng để đo tần số, góc lệch pha, đo điều chế, vẽ đặc tuyến biên độ - tần số, sử dụng lμm chỉ thị

- Đây lμ một trong hai chế độ thông dụng nhất của máy hiện sóng

Ngoμi ra các chế độ khác như: chế độ quét đợi - đồng bộ lưới; chế độ quét

đợi - đồng bộ ngoμi; chế độ khuếch đại - đồng bộ trong; chế độ khuếch đại - đồng

bộ lưới ít được sử dụng hoặc không có ý nghĩa, có thể bị loại trừ trong chế độ sử dụng của máy hiện sóng

4.5 Những nguyên tắc chungvề sử dụng máy hiện sóng

Máy hiện sóng rất đa dạng vμ cách sử dụng của mỗi loại đều có những đặc

điểm riêng Tuy vậy khi sử dụng cần nhớ một số nguyên tắc sau:

- Nguồn cung cấp cho máy phải đúng điện áp

- Trước khi bật máy một số núm điều chỉnh sau đây nên để ở vị trí trung bình:

+ Núm điều chỉnh độ sáng

+ Núm điều chỉnh hội tụ

+ Núm điều chỉnh lệch ngang

+ Núm điều chỉnh lệch đứng

- Chuyển mạch chế độ quét nên để ở chế độ quét liên tục để khi bật máy lμm việc luôn có đường quét ngang dễ điêu chỉnh quan sát

- Sau khi bật máy điều chỉnh lại các núm độ sáng, hội tụ, lệch ngang, lệch

đứng để xuất hiện đường quét sáng vừa phải, hội tụ tốt nhất vμ nằm giữa mμn hình

- Trước khi đưa tín hiệu đến đo hoặc quan sát cần chú ý đến các vấn đề sau

đây:

+Dự đoán biên độ của tín hiệu để chọn công tắc suy giảm vôn/vạch thích hợp Nếu chưa ước đoán được độ lớn của tín hiệu phải để công tắc nμy ở phạm vi lớn nhất hoắc phải có thêm bộ phân áp đầu vμo (bộ chia đầu vμo)

+ Căn cứ vμo tần số của tín hiệu ( hoặc độ rộng xung) để đặt vị trí của chuyển mạch thời gian/ vạch thích hợp Nếu tần số cμng lớn thì đặt chuyển mạch vμo vị trí có có giá trị nhỏ

+ Chọn chế độ quét phù hợp với tín hiệu cần xem

+ Chế độ đồng bộ thôngthường để ở chế độ đồng bộ trong, nếu dùng chế

độ đồng bộ ngoμi phải có tín hiệu đồng bộ đưa tới dầu vμo “X”

+ Sau khi đưa tín hiệu vμo chỉnh lại các chuyển mạch vôn/vạch, chuyển mạch thời gian/ vạch, núm đồng bộ, núm lệch ngang, núm lệch đứng để quan sát tín hiệu tốt nhất

Chương 5

đo dòng điện vμ điện áp

5 1 Đo dòng điện

5.1.1 Đo dòng điện một chiều

Ampe mét dùng để đo dòng điện Muốn đo dòng điện ở một mạch nμo đó ampe mét phải mắc nối tiếp với tải:

+E

mA +

-Rb

Rp

Re Rc

Đo dòng qua tải Đo dòng IE của transistor

Hình 5.1: Cách mắc mạch đo dòng điện một chiều Yêu cầu điện trở của ampe mét phải nhỏ để không lμm sai lệch chế độ lμm việc của tải

* Cấu tạo của ampe mét: (hình 5.2)

Hình 5.2: Cấu tạo mạch điện cơ bản của ampe mét

- Bộ phận chủ yếu của ampe mét lμ dụng cụ đo kiểu từ điện Nhưng dòng tối

đa qua dụng cụ nμy lại rất nhỏ xo với loại đồng hồ đo có độ nhạy cao Dòng nμy thường khoảng 50μA, do đó ampe mét phải mắc thêm các thμnh phần sau:

+ Rm nối tiếp vơí dụng cụ từ điện để bảo vệ dụng cụ

+ Rs gọi lμ điện trở SUN để tăng dòng điện qua ampe mét

Cách tính điện trở RS thực hiện theo sơ đồ mạch điện: (hình 5.3)

Hình 5.3: Sơ đồ mạch điện tính RS+ Gọi dòng điện cần đo tối đa lμ IA; dòng điện tối đa qua dụng cụ đo từ điện

lμ Iđ Điện trở cuộn dây của dụng cụ từ điện lμ Rd; điện trở bảo vệ lμ Rm Đặt Rđ =

- Mắc Sun độc lập: mỗi điện trở sun ứng với 1 phạm vi đo (hình 5.4)

K

Hình5.4: Mắc sun độc lập Trong cách mắc nμy có nh−ợc điểm cơ bản lμ: nếu công tắc chuyển mạch K không tiếp xúc hoắc tiếp xúc kém thì dòng chạy qua dụng cụ đo sẽ tăng lớn dễ lμm cháy đồng hồ đo (cháy cuộn dây trong cơ cấu đo) Khi đang đo nếu chuyển mạch cũng dễ gây cháy đồng hồ

- Mắc sun kiểu bảo vệ: (hình 5.5)

Theo mạch điện hình 5.5 phạm vi đo tại vị trí 3 có dòng đo lớn nhất Khi chuyển mạch K không tiếp xúc hoặc tiếp xúc kém sẽ không có dòng qua dụng cụ

đo nên bảo vệ đ−ợc dụng cụ đo

1

2 3

K

Hình 5.5: Mắc sun kiểu bảo vệ

5.1.2 Đo dòng điện xoay chiều

Để đo dòng điện xoay chiều dùng chung một dụng cụ từ điện người ta phải

sử dụng một biến áp phối hợp với mạch đồng hồ đo vôn mét xoay chiều như hình 5.6

K

+ -

1 2 3

R1

D1

Hình 5.6: Mắc mạch đo dòng điện xoay chiều

- Cuộn sơ cấp chỉ có vμi vòng dây lớn để mắc nối tiếp với tải, phạm vi đo cμng lớn thì số vòng dây cμng ít vμ đường kính dây cμng lớn Cuộn dây thứ cấp đưa

ra điện áp khoảng 1V, được nắn qua điốt D1, qua R1 tạo dòng điện chạy qua đồng

hồ ở một phạm vi đo nμo đó dòng qua cuộn dây sơ cấp cμng lớn thì điện áp cuộn thứ cấp cμng tăng, dòng qua đồng hồ tăng lên, giá trị chỉ cμng lớn

- Do cuộn sơ cấp chỉ có ít vòng nên không ảnh hưởng tới sự lμm việc của tải

- Để đo dòng điện xoay chiều tần số cao không thể dùng đồng hồ đo kiểu

đồng hồ hình 5.6 mμ phải dùng ampe mét kiểu nhiệt điện Nói chung ở phạm vi tần

số cao người ta chỉ đo điện áp vμ đo công suất

- Điện áp ở phạm vi tần số cao cũng không sử dụng được vôn mét xoay chiều kiểu như mạch điện thông thường mμ phải dùng vôn mét điện tử

5.2 Đo điện áp

5.2.1 Khái niệm chung về đo điện áp

- Đo điện áp lμ một trong những phép đo thông dụng nhất vμ quan trọng nhất trong đo lường Có thể dùng để đo gián tiếp nhiều đại lượng vật lý khác (ví dụ như cường độ điện trường, công suất, dòng điện )

- Phạm vi đo rộng từ 10-9 đến hμng trăm 100kV, dải tần đo rộng tới 3.109

Hz

- Đối với điện áp xoay chiều người ta đo các giá trị biện độ, giá trị trung bình

vμ giá trị hiệu dụng

- Giá trị biện độ lμ giá trị lớn nhất của điện áp xoay chiều trong một chu kỳ:

T TB

1 { ( )}

T

U U t dt T

Đối với điện áp có chu kỳ không sin với n hμi thì giá trị hiệu dụng lμ:

2 0

n i i

=

+ Hệ số dạng tín hiệu: d

TB

U K U

H×nh 5.9

§©y lµ néi dung rÊt quan träng khi ®o ®iÖn ¸p, ng−êi thùc hiÖn ®o ph¶i biÕt

®iÖn ¸p ®ang ®o ë d¹ng nµo th× kÕt qu¶ cña phÐp ®o míi chÝnh x¸c

Khi ®o ®iÖn ¸p V«n mÐt ®−îc m¾c song song víi phô t¶i hoÆc nguån ®iÖn

¸p cÇn ®o Khi m¾c v«n mÐt vμo m¹ch gi¸ trÞ chØ thÞ cña v«n mÐt thÊp h¬n gi¸ trÞ thùc lμ do trong m¹ch ®o cã sù ¶nh h−ëng trë kh¸ng vμo (Zv) cña v«n mÐt §Ó gi¶m sai sè cña phÐp ®o cÇn chän v«n mÐt cã trë kh¸ng vμo lín M¹ch ®iÖn h×nh 5.10

H×nh 5.10

5.2.2 Các phương pháp và phương tiện đo điện áp

- Nhóm phương pháp đánh giá trực tiếp: vôn mét nhiệt điện, vôn mét tĩnh

điện, vôn mét điện động, vôn mét điện từ, vôn mét điện tử

- Nhóm phương pháp so sánh: phương pháp vi sai, phương pháp chỉnh “0”, phương pháp bù

đo được một thang đo, các thang đo khác còn lại không đo được(hình 5.13)